Задача об укладке белка решена квантовым способом
Сотрудники
Прошлой весной D-Wave Systems, напомним,
CEO D-Wave Systems Джорди Роуз (Geordie Rose) позирует на фоне D-Wave One. (Фото D-Wave Systems Inc.)
О том, отвечает ли D-Wave One «истинному» определению квантового компьютера, можно спорить очень долго, но основные его элементы здесь, несомненно, присутствуют. Изготовленный канадцами процессор объединяет 128
Такой массив позволяет решать задачи оптимизации, сводящиеся к поиску основного состояния для набора изинговских спинов. Поиск при этом реализуется по алгоритму «
Ранее специалисты D-Wave Systems
Схема связи сверхпроводящих квантовых битов в процессоре D-Wave One, объединённых в 16 групп по 8 кубитов в каждой. Серым выделены те 115 кубитов, которые использовались в экспериментах. (Иллюстрация из журнала Scientific Reports.)
Уходя от проверочных заданий и двигаясь в сторону реальных проблем, в своей новой работе физики рассмотрели задачу об укладке белка, с которой более совершенным модификациям D-Wave One, вероятно, придётся столкнуться на практике. Суть проблемы состоит в поиске наиболее стабильной (нативной) упаковки белка с какой-либо аминокислотной последовательностью, в природных условиях задающей и саму уникальную структуру нативного состояния, и путь её достижения. Мерой стабильности структуры называют свободную энергию, а нативному состоянию, как считается, соответствует её глобальный минимум, который и необходимо найти.
Задача об укладке прямо связана с вопросом искусственного синтеза белков, имеющих заранее выбранные свойства. О важности изучения правил, которым подчиняется процесс сворачивания белковых цепей, свидетельствует и то, что в современной медицине выделяется целый класс тяжёлых нейродегенеративных заболеваний (скажем, болезни Альцгеймера и Паркинсона), связанных с нарушениями правильной укладки протеинов.
Поскольку экспериментальное исследование пространственной структуры белка зачастую признают чересчур сложным и дорогим занятием, теоретики уже давно придумали действенные расчётные методы решения задачи. Полное описание белка на атомарном уровне традиционно заменяют приближённой
Возможности D-Wave One было решено проверить на примере последовательности из шести аминокислот (пролин — серин — валин — лизин — метионин — аланин) в двумерном случае. Для кодирования необходимой информации использовались все 16 групп сверхпроводящих кубитов, но часть из них задействовали не полностью, так как проверка подготовленного для опытов процессора показала, что надеяться можно только на 115 кубитов из 128. Этого, впрочем, было вполне достаточно: вычислительные схемы, опробованные авторами, требовали не более 81 кубита, а некоторые обходились и 28, 27 или даже пятью.
Измерения при температуре в 20 мК показали, что D-Wave One действительно справляется с «квантовым отжигом» и способен находить нужное основное состояние. Вероятность получения правильного решения пока может оставаться очень низкой (81-кубитовая схема давала корректный ответ лишь в 13 испытаниях из 10 000), но это не столь важно: свою работу учёные рассматривают как простую демонстрацию того, что процессор и квантовый алгоритм готовы к решению комплексных задач.
Подготовлено по материалам